半导体产品Au-Al键合系统的失效原因简介及分析；

Au-AI键合系统主要失效原因包括与高温有关的Au-Al间化合物生长，键合界面产生柯肯德尔空洞（Kirkendall）。这两种原因均会导致器件引线键合强度下降，键合点接触电阻增大甚至开路失效。

图1.Au-Al键合系统示意图

首先我们介绍第一种失效原因：Au-Al间化合物生长。由于金、铝两者的化学势不同，Au-Al键合系统经高温度贮存后(150 以上，10小时) ，它们之间将产生五种金属间化合物:Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl2、AuAl，它们的晶格常数、膨胀系数、形成过程中体积的变化都是不同的，且电导率较低。在温度变化过程中，键合点存在很大的内应力，极易在相界面处产生裂痕，导致接触电阻增大，使用时即表现为时好时坏的现象，最后导致性能退化或开路。AuAl2呈紫色，俗称紫斑；Au2Al呈白色，则称白斑，白斑脆且导电率低，极易产生裂缝；Au4Al、Au5Al2、AuAl呈浅黄色。

图2和图3.Au-Al化合物金相形貌

图4和图5.Au-Al化合物SEM形貌

我们再来看看Au-Al键合系统的另一种失效原因：键合界面的柯肯德尔效应。在高温下，金-铝之间原子互扩散，两者扩散系数不同，Au扩散比Al扩散快，在300 上连续老化时产生空隙，产生柯肯德尔空洞。在继续老化过程中，小空隙逐渐连成一片，形成键合点界面或周边空隙，引起接触不良或引线脱落，导致开路失效。

图6.柯肯德尔空洞SEM形貌

案例分析

下面我举一个实际案例让大家更好的认识Au-Al键合系统的失效原理。失效的塑封集成电路，多只引脚开路，开封后发现所有开路引脚键合丝均已从焊盘上脱开。

图7.失效样品键合丝脱开形貌

观察焊盘与键合金球表面形貌，焊盘处可见黄色、疏松状物质（图8）。键合金球表面可见凹坑，即是柯肯德尔空洞（图9）。

图8.失效样品的焊盘处形貌

图9.失效样品的键合金球表面形貌

预防

Au-Al键合系统失效会导致接触不良或引线脱落,使器件性能退化失效，必须 引起重视。根据可能导致Au-Al化合物及柯肯德尔空洞产生的原因，提出几条预防措施：

在热超声焊中选择最佳键合条件，用超声功率和压力代替热压焊中的纯热键合的条件，小心调整适当的温度、功率和压力，使金属间化合物的产生可能性减至最低。

Au-Al键合失效表现出对温度的敏感性 ,应该严格控制成品的老化温度，器件使用应该严格控制温升，尤其是功率密度大、外部散热条件差的器件。

采用能防止相互作用的阻挡层。

要防止人工操作的失误，必须小心调试键合时的压力、键合超声功率、键合温度。

加强筛选，加强目检。

Au-Al键合在温冲条件下具有较好的抗热疲劳性能，键合拉力在

合格范围内，键合电阻随着试验周期的增加而增大；高温应力导致

Au_Al键合界面形成电阻率较高的化合物，引起键合电性能退化。在

150 和175 高温试验中，Au-AI键合电阻随着存储时间的增加逐渐

增大，在200 高温试验中部分键合电阻出现了急剧增大的现象，而

Al_Au键合电阻在相应的高温试验中基本不变。Au-Al键合点的键合强

度会随着试验时间的增加而减小，随着试验温度的升高而降低，而

A1_Au外键合点的键合强度基本保持不变。

对失效样品进行理化性能检测分析发现生成了Au5Al。、Aunl和

Au擅l等金属问化合物和Kerkendall空洞，化合物的形成导致键合电

阻逐渐增加，空洞的出现会使键合电阻急剧增加，键合沟的存在使空

洞首先在键合点外围形成，提高温度则可以在Au和富Au相化合物间快

速形成Kerkendal l空洞。

所以在需要异类键合时，优先考虑铝金键合，在军用器件里面，尽可能减少金铝键合。